L’expansion de l’univers alimente un nouveau combat parmi les scientifiques

Les scientifiques s’accordent à dire que l’univers est en expansion. Les scientifiques ne sont pas d’accord sur la façon dont vite l’univers est en expansion.

L’argument sur la constante de Hubble – la loi scientifique définissant ce taux d’expansion – se réchauffe. Mais ce ne sont pas que des chamailleries ringardes dans la salle de bal de l’hôtel qui accueille le dernier symposium d’astrophysique.

Non, toute notre conception du fonctionnement de l’univers est en jeu.

D’un côté du combat se trouvent des théoriciens tels que Nikita Blinov, physicien au Fermi National Accelerator Laboratory près de Chicago. Les théoriciens sont prêts à jeter des décennies, voire des siècles, de physique établie afin d’expliquer pourquoi différentes observations de galaxies et d’étoiles nous donnent des nombres différents pour la constante de Hubble.

“Il existe un modèle cosmologique standard bien établi qui décrit bien la plupart des observations, mais rencontre un problème avec cette tension de Hubble”, a déclaré Blinov au Daily Beast. “Les gens proposent ensuite différentes modifications du modèle standard, les testent par rapport aux données et voient si la tension persiste ou non.”

Certains astronomes traditionnels s’opposent à ces efforts, tels que le cosmologiste de l’Université de Chicago Barry Madore, qui appellent à la prudence et à la retenue. Peut-être que nos observations sur l’expansion de l’univers ne sont pas d’accord parce que les observations elles-mêmes sont imprécises, a déclaré Madore au Daily Beast.

Dans ce cas, rien ne justifie de détruire les anciens modèles et d’en écrire de nouveaux pour les remplacer. “Que vous souhaitiez aller chercher une solution à ce problème dépend du fait que vous soyez un théoricien qui pense avoir des idées brillantes sur la cosmologie”, a déclaré Madore.

Le problème, pour Madore et les scientifiques partageant les mêmes idées, est qu’inventer un tout nouveau type de physique n’est pas seulement inutile, c’est en fait destructeur. Selon eux, en rejetant d’anciennes lois scientifiques qui fonctionnent toujours, vous risquez de faire reculer des domaines d’étude entiers et de faire perdre beaucoup de temps précieux aux scientifiques.

On ne peut pas s’opposer à la curiosité, concéda Madore. “Mais vous devez être des scientifiques rationnels pour savoir où vous mettez vos efforts.”

Pour Blinov, défiant les vieilles hypothèses travailler rationnel « Par leur nature les propositions pour expliquer une anomalie comme la [Hubble Crisis] sont spéculatifs et donc à haut risque et à haut rendement », a déclaré Blinov. “Certaines personnes aiment travailler sur de tels problèmes, d’autres non.”

Cette crise actuelle dure depuis une décennie. Des calculs strictement mathématiques du taux d’expansion de l’univers, datant des années 1920, ont donné une valeur constante de Hubble de 68 km/h/Mpc. Il s’agit d’une galaxie située à un mégaparsec de la Terre, une mesure de distance dans l’espace d’environ 3,3 millions de kilomètres, qui s’éloigne du centre de l’univers à une vitesse de 68 kilomètres par seconde.

Les désaccords entre scientifiques ont commencé à éclater en 2014, les astronomes ont développé de nouvelles méthodes pour mesurer le mouvement des étoiles. Le calcul de la trajectoire des étoiles géantes rouges près de la Terre nous donne une constante de Hubble de 70 km/h/Mpc. Pendant ce temps, le suivi d’étoiles céphéides très lointaines (qui diminuent et s’éclaircissent périodiquement) conduit à une constante de Hubble de 74 km/h/Mpc.

Peut-être qu’un seul de ces chiffres – ou un futur quatrième chiffre – est correct. “Les choses sont rarement d’accord lors de la première passe”, a expliqué Madore.

Ou peut-être tous les calculs sont exacts. Peut-être que l’univers s’est développé rapidement au début de son histoire, puis s’est soudainement ralenti. Une rétrogradation abrupte qui produirait des constantes de Hubble différentes selon ce que vous regardez : une étoile très éloignée – et donc plus âgée au moment où nous l’apercevons – ou une étoile beaucoup plus proche et donc plus jeune lorsque nous la voyons.

Si un ralentissement est ce qui s’est produit, les cosmologistes pensent qu’il aurait dû avoir lieu il y a entre 50 et 150 millions d’années pour expliquer l’assortiment de constantes de Hubble contradictoires que nous avons calculées ces dernières années.

Il est rare que les choses s’accordent au premier passage.

Barry Madore

Si vous supposez que l’univers a ralenti, vous devriez essayer d’expliquer pourquoi. Il n’y a rien dans la physique établie pour l’expliquer, vous devrez donc peut-être supposer que des particules théoriques font des choses étranges et théoriques à grande échelle.

Les théoriciens qui font ce travail sont les nouveaux venus dans le parti Hubble Constant. Ils n’ont pas peur de remettre en question des hypothèses de longue date. “C’est ce qu’ils aiment faire”, a déclaré Adam Riess, un astrophysicien de Johns Hopkins, au Daily Beast.

Madore et Blinov conviennent qu’il est tout à fait possible que de nouveaux instruments qui sont maintenant en ligne puissent aider à régler la crise de Hubble grâce à l’astronomie à l’ancienne, c’est-à-dire à regarder les étoiles à travers des télescopes. Le nouveau télescope spatial James Webb de la NASA pourrait à lui seul conduire à de nouvelles observations et à de nouvelles données qui pourraient rendre inutile toute tentative de briser la physique d’aujourd’hui et de la remplacer par quelque chose de nouveau.

L’astronome de l’Université de Chicago, Wendy Freedman, qui a examiné de près les étoiles géantes rouges et est en passe d’utiliser le JWST pour d’autres observations, a déclaré qu’il n’y avait pas besoin d’une “nouvelle physique” pour expliquer toutes ces différentes constantes de Hubble, car une meilleure application de vous pourrait appeler “la vieille physique” peut faire l’affaire sans nécessitant de repenser de fond en comble le fonctionnement de l’univers.

L’explication de toutes ces différentes constantes est probablement assez simple, a déclaré Freedman au Daily Beast. Il y a de fortes chances qu’il y ait des erreurs dans nos observations d’étoiles lointaines, et donc des inexactitudes dans nos calculs des mouvements de ces étoiles, a-t-elle expliqué.

Avec l’aimable autorisation de l’Université de Chicago

La résolution de ces erreurs devrait être la priorité. Ce n’est qu’après avoir fait un effort de bonne foi pour obtenir de meilleures données sur le mouvement des étoiles que nous devrions même envisager, disons, d’écrire de nouvelles lois de la physique afin de s’adapter à un ralentissement apparent de l’expansion de l’univers. “L’élimination des erreurs systématiques est essentielle avant de pouvoir affirmer définitivement que la cause de la tension est une nouvelle physique”, a déclaré Freedman.

Alors que Freedman affine ses observations d’étoiles lointaines à l’aide de télescopes de mieux en mieux, elle obtient des données plus précises sur les mouvements des étoiles. Elle est optimiste qu’avec un peu plus d’efforts et un tour ou deux avec le JWST, elle et d’autres astronomes de la vieille école vont cerner un nouveau calcul de la constante de Hubble qui efface toutes les contradictions récentes.

“Je suis arrivée à la conclusion que nous n’avons pas besoin d’une nouvelle physique fondamentale”, a-t-elle déclaré.

Des idées plus sombres

Mais les théoriciens n’attendent pas que le JWST ou un autre nouveau télescope mette fin à la crise. Ils sont occupés à proposer de nouvelles théories profondes qui pourraient expliquer pourquoi l’univers pourrait se développer rapidement pendant quelques milliards d’années, puis ralentir soudainement.

Une théorie de premier plan qui est tombée des projecteurs récemment implique la matière noire, la matière invisible que nous ne pouvons pas observer du tout mais que les scientifiques imaginent jusqu’à un tiers de toute la matière dans l’univers. Peut-être qu’un mystérieux type de matière noire “chaude” a produit brusquement tout un tas de particules à forte gravité qui, il y a environ 100 millions d’années, ont entraîné des étoiles, des planètes et des astéroïdes et ont ralenti tout.

Cette théorie de la «matière noire chaude en décomposition» a gagné en popularité parmi les théoriciens au cours des deux dernières années avant de perdre une partie de son lustre ces derniers mois, en partie grâce aux travaux menés par Blinov en 2020.

La matière noire «chaude» est distincte de la matière noire «froide» lente et de la matière noire «chaude» plus rapide. Au fur et à mesure que d’énormes masses de matière noire chaude se désintègrent sur des éons, elles se décomposent en particules de neutrinos, qui sont si petites et presque sans masse qu’elles traversent d’autres matières. Cependant, ils sont si nombreux qu’ensemble, ils peuvent exercer une forte attraction gravitationnelle sur tout le reste.

De nombreux neutrinos supplémentaires apparaissant dans l’univers “pourraient avoir un impact sur l’histoire de l’expansion de l’univers d’une manière qui contribue à atténuer la tension de longue date” sur la constante de Hubble, Blinov et ses coauteurs Dan Hooper, un cosmologiste Fermi, et l’Université Celeste Keith, étudiante diplômée de Chicago, a écrit dans son article, finalement publié en 2020 dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.

En fin de compte, Blinov et son équipe ont conclu que, bien qu’intéressante, la matière noire chaude en décomposition n’avait pas tout à fait de sens en tant que résolution de la crise de Hubble.

Une équipe iranienne a suivi cette année et a convenu avec Blinov et ses coauteurs que la matière noire chaude en décomposition, si elle existe vraiment, ne fonctionnerait probablement pas comme un frein de stationnement sur l’univers entier. “La matière noire en décomposition ne semble pas un candidat prometteur pour résoudre les tensions cosmologiques”, ont écrit Zahra Davari et Nima Khosravi, toutes deux physiciennes à l’Université Shahid Beheshti de Téhéran, dans leur article préimprimé, paru en ligne en mars, mais qui n’a pas encore été évalué par des pairs.

Pour être clair, nous ne savons pas avec certitude que la matière noire chaude existe même. Mais en supposant que notre mélange de différentes constantes de Hubble soit exact, alors quelque chose a dû provoquer un ralentissement à l’échelle de l’univers, a expliqué Blinov. Si ce n’est pas de la matière noire chaude en décomposition, cela pourrait être une autre chose théorique étrange. “Je n’ai pas d’explication préférée”, a déclaré Blinov.

Un appel à la prudence

Le problème est que si nous comptons sur une forme de matière tout à fait hypothétique pour résoudre la crise de Hubble, alors nous devons repenser notre compréhension de base de la structure de, eh bien, tout. C’est la saisie dans l’obscurité théorique, le mépris des lois scientifiques établies, qui inquiète les scientifiques comme Madore.

De l’avis de Madore, les théoriciens devraient se détendre, arrêter de lancer des idées farfelues et attendre que de nouveaux télescopes nous donnent une vue plus claire de ces étoiles céphéides lointaines – et donc de nouvelles estimations potentiellement plus fiables de la constante de Hubble. “N’est-il pas un peu plus logique de dire que quelque chose ne va pas avec notre compréhension des Céphéides plutôt que de dire, ‘Nouvelle physique!’?” a demandé Madore.

Le tour de Freedman avec le JWST cet été pourrait aider à cerner les constantes en désaccord. “Notre proposition est d’utiliser les capacités infrarouges de JWST pour mesurer la constante de Hubble”, a-t-elle déclaré au Daily Beast. “Nous utilisons trois méthodes différentes pour le faire, toutes dans les mêmes galaxies afin que nous puissions comparer les résultats et ainsi obtenir une estimation robuste des incertitudes.”

Peut-être qu’avec le temps et de meilleurs instruments, toutes ces autres mesures de la constante – celles qui sont actuellement en désaccord – commenceront à converger. Dans ce cas, la patience, et non la décomposition de la matière noire chaude ou une autre notion étrange, pourrait résoudre la crise de Hubble sans nous obliger à jeter tous nos manuels de physique existants à la poubelle.

Ces idées théoriques sont la façon dont les théoriciens abordent ces problèmes de recherche et il est un peu dur de leur dire qu’ils perdent leur temps ou que nous ne devrions pas écouter leurs idées.

Adam Ries

C’est la position conservatrice, scientifiquement parlant. Le libéral, pour ainsi dire, est qu’il ne fait jamais de mal d’explorer les franges de la cosmologie. “Ces idées théoriques sont la façon dont les théoriciens abordent ces problèmes de recherche et il est un peu dur de leur dire qu’ils perdent leur temps ou que nous ne devrions pas écouter leurs idées”, a déclaré Riess.

Une sorte de compromis est possible, bien sûr. Les deux camps pourraient juste… vaquer à leurs occupations. Les cosmologistes pourraient continuer à proposer de nouvelles particules loufoques qui peuvent ou non exister mais, s’ils le font existent, pourraient donner un sens à toutes ces constantes de Hubble concurrentes.

Pendant ce temps, les astronomes de la vieille école pourraient prendre leur tour sur un télescope spatial ou un autre, bousculant progressivement les mesures traditionnelles des mouvements des étoiles, dans l’espoir d’arriver finalement à un chiffre unique pour la constante de Hubble qui satisfasse tout le monde.

En réalité, c’est ce qui se passe. C’est juste que des scientifiques moins aventureux comme Madore pensent que beaucoup de théoriciens perdent leur temps, le temps de leurs étudiants et des subventions de recherche qui devraient être allouées à des études qui ne dépendent pas de particules imaginaires pour résoudre un problème qui pourrait ne pas être un problème beaucoup plus longtemps.

“Il est à la fois compréhensible et regrettable qu’une telle puissance intellectuelle ait été consacrée à répondre à cette question, alors que la question elle-même n’a pas été honnêtement abordée quant à savoir si c’est le droit question », a déclaré Madore.

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